Иерархия структур природы

Современная физическая картина мира строится на основании фундаментальных физических теорий, обладающих большой общностью: к ним относятся общая и специальная теории относительности, квантовая хромодинамика, квантовая электродинамика, неравновесная термодинамика. Объектами приложения физических теорий является весь материальный мир, начиная со Вселенной и заканчивая элементарными частицами. Принято разделять физические объекты природы на: мегамир, состоящий из галактик, звездных скоплений, звезд и планетных систем; макромир, включающий в себя мир обычных материальных тел, окружающий человечество; и микромир, состоящий из взаимодействующих частиц. Все свойства макро- и мегамира определяются свойствами элементарных частиц.

Космологическая шкала расстояний позволила выявить иерархическую структуру наблюдаемой части Вселенной. Исследования плотности галактик и расстояний до них в разных областях небесной сферы показали, что самые крупные пространственные неоднородности в распределении галактик имеют форму цепочек или волокон, которые образуют стенки ячеек - войдов. Внутри каждого войда плотность галактик мала, они сосредоточены в основном в волокнах, образующих стенки войда. Размеры войдов около 100 Мпк, толщина волокон около 10 Мпк. Эта крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики, по видимому, не образует более крупных структур, поэтому в мегамасштабах Метагалактика однородна и изотропна. Эта однородность вещества подтверждается подсчетами числа радиоисточников, малостью случайных скоростей галактик, не входящих в крупные скопления, изотропией рентгеновского излучения от множества дискретных источников.

Следующим элементом иерархической структуры Метагалактики являются галактики. Галактиками называются гравитационно связанные звездные системы, состоящие из большого количества звезд и туманностей. Форма и размеры Галактик могут быть различными. Различают спиральные, эллиптические и неправильные Галактики. В каждой Галактике содержатся миллиарды звезд.

Первая космологическая модель на основаниях общей теории относительности была построена А. Эйнштейном в 1917 г., но она описывала статическую Вселенную. Как показал советский математик А. А. Фридман в 1922 - 1924 гг., решение Эйнштейна неустойчиво, и малые возмущения выводят статическую Вселенную из состояния равновесия, и она начинает либо расширяться, либо сжиматься. Этот вывод был настолько парадоксален, что далеко не сразу был понят и принят даже наиболее передовыми умами человечества. В 1929 г. американским астрономом Э. Хабблом был открыт эффект красного смещения в оптических спектрах излучения удаленных галактик, которое им было интерпретировано как проявление эффекта Допплера. Смещение свидетельствовало о том, что практиче­ски все галактики (за исключением так называемой Местной группы) с огромными скоростями удаляются от нас, причем чем дальше галактика, тем больше эта скорость. Хаббл установил, что связь скорости (V) и расстояния (R) линейна: V=HR. Это соотношение сейчас называется законом Хаббла. Таким образом, астрофизические наблюдения подтвердили правильность выводов А.А. Фридмана о нестационарности Вселенной.

В конце сороковых годов Г. Гамовым была выдвинута модель горячей Вселенной, в ней рассматривались ядерные реакции, которые протекали в начальный момент существования Вселенной, когда вещество находилось в сверхплотном состоянии; при этом предполагалось, что температура вещества была очень велика и падала с расширением. Эта модель предсказывала, следующее:

а) вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (примерно 75 %) и гелия (примерно 25 %);

б) в настоящее время во Вселенной должно существовать так называемое реликтовое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности вещества и высокой температуры.

Оба эти предсказания блестяще подтвердились. В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон зарегистрировали реликтовое излучение.

Вопрос о развитии Вселенной является труднейшим в современной науке. Одна из гипотез утверждает, что Вселенная родилась из вакуума. Это физический вакуум. Он назван третьим видом материи и был введен для объяснения происхождения "черных дыр". Физический вакуум - это бескрайний океан виртуальных элементарных частиц. Доказательством существования таких частиц является изучение спектра излучения атома водорода, в котором происходит сдвиг энергетических уровней из-за взаимодействия электрона с физическим вакуумом.

Физический вакуум - это чрезвычайно сложный и парадоксальный объект, обладающий высокой степенью хаотичности и неопределенности. Потенциально (виртуально) вакуум содержит всевозможные частицы и состояния, которые могут из него получиться при наличии соответствующих условий, но в то же время актуального в нем ничего нет.

Из физического вакуума могут рождаться элементарные частицы, т.е. привычное для нас вещество. В силовом поле может родиться пара частиц: частица и античастица. Вопрос объединения всех видов взаимодействия в единое "Великое объединение" связан с вопросом о самом раннем этапе Вселенной.

Из теории "стандартной" расширяющейся Вселенной следует, что чем ближе к "началу", тем выше ее температура. С другой стороны, физики увеличили энергию частиц в ускорителях, что позволило сделать выводы об изменении свойств вещества по мере роста энергии.

В настоящее время проблема объединения решается теоретически. Процессы всех четырех взаимодействий становятся неразличимыми при энергиях 10¹⁹ ГэВ, что экспериментально недостижимо.

Идея о том, что Вселенная возникла как квантовая флуктуация структуры пространство-время, впервые была высказана в 1973 г. Н.И. Фоминым. О "рождении" Вселенной из вакуума говорил в 1965 г. Г.И. Наан. Процессы в расширяющейся Вселенной рассматриваются с момента времени 10^-43 с и плотности 10⁹⁴ частиц /см³.

При раздувании Вселенной плотность обычного вещества и температура стремительно уменьшалась. На протяжении фазы раздувания рождались частицы из вакуума с освобождением энергии. Раздувание продолжалось до 10^-35 с. На ранней стадии своего развития модель Вселенной действительно была горячей. До момента времени 10^-43с непрерывный поток времени обрывается, в меньших масштабах он распадается на квант единого пространства-времени.

Весь гигантский и многообразный мир галактик был открыт в наше время. Изучение структуры галактик и происходящих в них процессов только начинается.

Под макромиром понимают обычно мир материальных тел, состоящих из молекул и атомов. Большинство изменений и процессов, происходящих с атомами и молекулами, обусловлено электромагнитным взаимодействием. В частности, к электромагнитной природе относятся силы трения, упругости, силы гидро- и аэродинамического сопротивления, силы давления жидкости и газа и множество других сил. Все силы, которые обеспечивают химическое взаимодействие атомов и молекул, имеют электромагнитную природу, так как химическое взаимодействие обусловлено взаимодействием электронных оболочек атомов и молекул.

Под микромиром понимают мир элементарных частиц. Законченная физическая теория элементарных частиц в настоящее время не создана. Накоплено большое количество экспериментальных данных по характеристикам и взаимодействию частиц. Принято делить элементарные частицы на лептоны, участвующие в слабом взаимодействии, и адроны, участвующие в сильном взаимодействии. В настоящее время известно шесть лептонов, к числу которых относятся электрон (e), мюон (m), таон (t) и соответственно электронное (n_e), мюонное (n_m) и таонное (n_t) нейтрино. Каждая пара частиц имеет свой лептонный заряд, который сохраняется при слабом взаимодействии. Все лептоны, кроме мюона и таона, стабильны. Адроны принято делить на две группы: барионы и мезоны. Все адроны по современным представлениям можно составить из шести кварков, каждый из которых имеет три разновидности (цвета). Частицы, наблюдаемые в природе, составлены из кварков таким образом, что сумма цветов дает белый. Отдельно в природе кварки не обнаруживаются и существуют только в составе частиц. При этом мезоны состоят из двух кварков, а барионы из трех кварков.

Элементарные частицы, кроме сильного и слабого взаимодей­ствий, могут участвовать в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Каждая элементарная частица имеет множество ха­рактеристик: массу покоя, спин, заряд, лептонный и барионный за­ряды, четность и т.д. В различных элементарных актах взаимодейст­вий между частицами одни величины сохраняют свое значение, а другие нет. Например, для всех видов взаимодействий сохраняются энергия, импульс, момент импульса, электрический заряд, лептонные и барионные заряды, спин.

Каждой сохраняющейся величине соответствует своя сим­метрия мира. Закон сохранения энергии связан с симметрией време­ни, закон сохранения импульса с симметрией пространства. Но для некоторых сохраняющихся величин виды симметрии еще не опреде­лены. В целом физическая теория фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц окончательно еще не создана и находится в стадии становления.